JP7450036B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーデバイス駆動の異常診断に有効なインバータ装置に関する。
インバータ装置（以下、単にインバータと称する場合がある）は、直流電力を交流電力に変換する装置であり、車載用インバータ装置は、リチウムイオンバッテリなどの直流電力から変換した交流電力でモータを駆動、制御することで、車両に必要な駆動力を制御している。モータを駆動する交流電力は非常に大きいため、故障発生時には早期に故障を検出してモータを安全に静止させることで重大な故障リスクを低減させる機能安全の対応が求められている。発生した故障が検出できなかったり、検出が遅れて車両の安全制御が遅れたりすると、２次的な故障の発生などにより、より重大な車両の故障リスクを招く場合があり、故障を早期に検出して車両を安全に停止させることが重要である。
一般的に車載用インバータ装置では、モータへの３相の出力交流電流と、入力の直流電圧を計測し、３相の上アームと下アームのパワーデバイスをスイッチング制御することで、モータの回転数に応じて必要とされるトルクを制御してモータを駆動している。このモータ制御において計測している出力交流電流は、モータのインダクタンス負荷の大きさに応じて電流応答が決まるため、急激な電流変化は起こらない。また、入力直流電圧も、インバータ内に大きなコンデンサを搭載しているため、急峻な電圧変化は起こりにくい。そのため、これら出力交流電流や入力直流電圧の計測では、故障発生時すぐに故障を検知することが難しいため、過電流や過温度による２次的な故障が発生したりする可能性があるといった課題がある。これらの課題を解決するため、インバータの出力である３相の上アームと下アームの各パワーデバイスについて、様々な異常を検知する方法が開示されている。
例えば、特許文献１では、「大容量の電力用半導体モジュールを備えたインバータに関連し、特に、ゲート配線（ゲート線もしくはエミッタ線）の少なくともいずれか１つに、断線、接触不良、もしくは接続忘れ等の異常が発生したことを、インバータの始動前に検出するためのインバータ装置およびインバータ装置の異常検出方法に関する」技術が開示されている。
特開２０１３－２４７７３４号公報
特許文献１に示す技術は、「インバータの始動前の診断期間において、アーム毎に、ドライブ信号がオフしている状態でのアーム内の各パワー半導体素子のゲート端子とエミッタ端子間の電圧値、あるいは、それぞれの駆動用ゲート端子に異常診断用としてパルス駆動のドライブ信号をゲートドライバから印加した際のゲートドライバ出力電圧の立上り時間を診断用データとして検出し、検出した診断用データと所定値とを比較することにより、ゲート配線の異常をインバータの始動前に検出する」技術である。すなわち、特許文献１に示す技術は、インバータ装置の始動前にパワーデバイスの断線を診断する技術である。しかしながら、インバータ装置の故障モードは断線以外にも短絡など様々であり、これら様々な故障を検知し、インバータ装置を安全に停止させる必要がある。
本発明の目的は、インバータ装置の出力であるパワーデバイスおよびゲート駆動の異常を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止制御することができるインバータ装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係るインバータ装置は、パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備え、パワーデバイスのゲート電圧を所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部を備え、前記所定の閾値電圧は、前記パワーデバイスのスレショルド電圧より低い電圧であり、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ゲート電圧検出部出力のゲート電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスのゲート電圧の異常の有無を診断することを特徴とする。また、本発明に係るインバータ装置は、パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備え、パワーデバイスのドレイン電圧をソース電圧を基準にした所定の閾値電圧で検出するドレイン電圧検出部を備え、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ドレイン電圧検出部のドレイン電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスに順方向の電流が流れている時に、前記パワーデバイスの異常の有無を診断することを特徴とする。
本発明によれば、パワーデバイスおよびゲート駆動の異常を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第１の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第２の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第３の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第４、第５の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第６の実施例におけるインバータ装置の概略構成図である。 第３から第６の実施例におけるデッドタイム制御のタイムチャートである。 第３から第６の実施例におけるデッドタイム制御の詳細タイムチャートである。 第１から第６の実施例における故障診断時の制御フロー図である。 第１から第６の実施例における故障診断時の制御フロー図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
また、図１から図５の各構成図、図６、図７のタイムチャート、および図８、図９のフロー図は、本発明に係る実施形態の一例であり、請求項を限定するものではない。また、パワーデバイスの各端子の名称として、ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子と統一したが、ＩＧＢＴの場合は、ドレイン端子をコレクタ端子、ソース端子をエミッタ端子と読み替えることができる。パワーデバイスは、ＩＧＢＴやＳｉＣで記述しているが、ゲート電圧によりオンとオフのスイッチングを制御するすべてのパワーデバイスを対象とすることが可能であり、ＩＧＢＴ、ＳｉＣ、Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮとしてもよい。また、アイソレータ素子は、トランスで記述しているが、すべてのアイソレータ素子を対象とすることが可能であり、フォトカプラやコンデンサを用いたアイソレータ素子であってもよい。
［第１の実施例］
図１を参照して、本発明の第１の実施例に係るインバータ装置１について説明する。図１に示すインバータ装置１は、高電圧バッテリ１６（リチウムイオンバッテリなど）と、高電圧バッテリ１６のプラス側端子ＶＰと出力端子（出力電圧）ＶＯに接続される上アームパワーデバイス２０Ａおよび上アーム還流ダイオード２１Ａと、出力電圧ＶＯと高電圧バッテリ１６のマイナス側端子ＶＮに接続される下アームパワーデバイス２２Ａおよび下アーム還流ダイオード２３Ａとを備え、これら上下アームを交互にオン、オフして出力電圧をスイッチングしてモータを駆動する。なお、本実施例の上アームパワーデバイス２０Ａと下アームパワーデバイス２２Ａは、ＩＧＢＴで記述している。一般的に車載用インバータ装置はＵ相、Ｖ相、Ｗ相で構成される３相モータを駆動するが、ここでは１相分の上下アームで本実施例を説明する。他の２相については、マイクロコントローラ１０によりそれぞれの交流出力となるよう制御されるが、本実施例に関する構成は同様のため省略する。また、上アームパワーデバイス２０Ａと下アームパワーデバイス２２Ａは、マイクロコントローラ１０からそれぞれＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御されるが、本実施例に関する構成は上下アームで同様のため上アームパワーデバイス２０Ａに関して説明し、下アームパワーデバイス２２Ａについては省略する。
図１に示すインバータ装置１は、マイクロコントローラ（マイコン）１０を備え、マイクロコントローラ１０のゲート駆動信号生成部１１で、モータを駆動するための３相、上下の６アームのパワーデバイスのゲート駆動信号４０を生成する。生成された上アームのゲート駆動信号４０は、アイソレータ送信部１３Ａ、アイソレータ素子１５Ａ、アイソレータ受信部１４Ａによりマイクロコントローラ１０が備わる低電圧領域とパワーデバイス（２０Ａ、２２Ａ）が備わる高電圧領域間の絶縁部２４を通信（絶縁間通信）し、ゲート駆動部１７に信号伝達され、ゲート駆動部１７にて上アームパワーデバイス２０Ａをオン、オフするためのゲート電圧ＶＧが駆動される。ここでゲート抵抗１８Ａは、パワーデバイスがオン、オフする際の、出力電圧ＶＯのスルーレートを調整したり、パワーデバイスがオフする際のサージ電圧を調整したりするためのゲート抵抗である。
ここで、本実施例では、ゲート電圧ＶＧを、パワーデバイスのスレショルド電圧より低い所定の閾値電圧で判定（検出）するゲート電圧検出部１９を備え、ゲート電圧検出部１９の検出結果（出力信号）をアイソレータ送信部１３Ｂ、アイソレータ素子１５Ｂ、アイソレータ受信部１４Ｂからなるアイソレータ通信部を介してマイクロコントローラ１０にゲート電圧検出信号４１として伝達する。マイクロコントローラ１０では、ゲート異常診断部１２にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ゲート電圧検出部１９から出力された）ゲート電圧検出信号４１とを比較することで、ゲート電圧検出信号４１がゲート駆動信号４０に対して所望の遅延時間の場合は正常判定し、ゲート駆動信号４０の出力を継続する。一方、ゲート電圧検出信号４１の立上りや立下りがそれぞれゲート駆動信号４０の立上りや立下りに対して、所望の遅延時間を超えて異常な遅延時間が発生した場合は、ゲート異常診断部１２でゲート電圧の異常を診断する。また、ゲート電圧検出信号４１がハイレベルやローレベルに一定時間固定している場合も、同様にゲート電圧の異常と診断する。ゲート異常診断部１２にてゲート電圧の異常が診断されると、ゲート異常診断部１２からゲート駆動信号生成部１１に診断結果が伝達され、上アームのゲート駆動信号４０を停止させ、下アームのゲート駆動信号４３を停止させる制御が可能となる。
このように、本実施例では、ゲート電圧ＶＧを、パワーデバイスのスレショルド電圧より低い所定の閾値電圧で判定（検出）するゲート電圧検出部１９を備え、マイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ゲート電圧検出部１９から出力された）ゲート電圧検出信号４１とを比較し、正常動作を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの駆動経路（マイクロコントローラ１０からゲート駆動部１７を介してパワーデバイスのゲート電圧ＶＧに繋がる経路）とゲート電圧ＶＧの検出経路（パワーデバイスのゲート電圧ＶＧからゲート電圧検出部１９を介してマイクロコントローラ１０に繋がる経路）で信号ループを形成してマイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２でゲート電圧ＶＧの異常の有無を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの正常動作を確実に診断することが可能となる。例えば、マイクロコントローラ１０からゲート電圧ＶＧまでの信号経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、ゲート電圧ＶＧからマイクロコントローラ１０までの検出経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、マイクロコントローラ１０のゲート異常診断部１２にてＰＷＭ１周期の期間内で異常を確実に診断できる。
また、この早期の異常診断により、上アームのゲート駆動信号４０および下アームのゲート駆動信号４３を早期に停止させることが可能であり、異常発生時にインバータ装置１を早期に安全停止制御させることが可能となる。
［第２の実施例］
図２を参照して、本発明の第２の実施例に係るインバータ装置２について説明する。図２に示すインバータ装置２は、図１に示した第１の実施例の構成に加えて、ドレイン電圧検出部３０とドレイン異常診断部２５を備える。上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン端子に整流ダイオード３１のカソードが接続され、整流ダイオード３１のアノードがドレイン電圧検出部３０に接続されることで、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンした時に、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧がソース電圧（出力電圧ＶＯ）に対して低下したことをドレイン電圧検出部３０で検出する。ここでドレイン電圧検出部３０は、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧をソース電圧（出力電圧ＶＯ）で検出しているが、ソース電圧（出力電圧ＶＯ）を基準にした所定の閾値電圧で検出できる。ドレイン電圧検出部３０で検出した信号は、アイソレータ送信部１３Ｃ、アイソレータ素子１５Ｃ、アイソレータ受信部１４Ｃを介して、ドレイン電圧検出信号４２としてマイクロコントローラ１０へ伝達される。マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５は、（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ドレイン電圧検出部３０から出力された）ドレイン電圧検出信号４２を比較することで、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧の正常動作を診断する。なお、ドレイン異常診断部２５にてドレイン電圧の異常が診断された場合の制御は第１の実施例と同様である。
ここでインバータ装置２は、交流電流をモータに出力するため、出力端子ＶＯから出力される交流電流は順方向と逆方向に電流の向きが変化する。出力端子ＶＯからモータへ流れる電流方向を順方向、逆にモータ側から出力端子ＶＯに流れる電流方向を逆方向とすると、順方向に電流が流れる場合は、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンしている時に上アームパワーデバイス２０Ｂに電流が流れ、上アームパワーデバイス２０Ｂがオフしている時は、下アーム還流ダイオード２３Ｂに電流が流れる。逆に、逆方向に電流が流れる場合は、下アームパワーデバイス２２Ｂがオンしている時は、下アームパワーデバイス２２Ｂに電流が流れ、下アームパワーデバイス２２Ｂがオフしている時は、上アーム還流ダイオード２１Ｂか上アームパワーデバイス２０Ｂに電流が流れる。すなわち、逆方向に電流が流れている場合は、上アームパワーデバイス２０Ｂがオンしていても上アーム還流ダイオード２１Ｂに電流が流れるため、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧はソース電圧に対して低下する。
よって、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５によるドレイン電圧の診断は、パワーデバイスに順方向の電流が流れている場合に診断することができる。一般的に車載用インバータ装置で駆動される３相モータは、各相毎の交流電流をセンスしてマイクロコントローラの演算に用いており、電流が順方向であるか逆方向であるかを判定することができる。これにより、順方向に電流が流れている時は、上アームパワーデバイス２０Ｂのオンオフ動作が正常かどうかを診断でき、逆方向に電流が流れている時は、逆アームを構成する下アームパワーデバイス２２Ｂのオンオフ動作が正常かどうかを診断できる。
このように、本実施例では、出力である上アームパワーデバイス２０Ｂに順方向の電流が流れる条件下において、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧をソース電圧を基準にした所定の閾値電圧で判定（検出）するドレイン電圧検出部３０を備え、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５にて（ゲート駆動信号生成部１１から出力された）ゲート駆動信号４０と（ドレイン電圧検出部３０から出力された）ドレイン電圧検出信号４２とを比較し、正常動作を診断することにより、ゲート電圧ＶＧの駆動経路（マイクロコントローラ１０からゲート駆動部１７を介して上アームパワーデバイス２０Ｂに繋がる経路）とドレイン電圧の検出経路（上アームパワーデバイス２０Ｂからドレイン電圧検出部３０を介してマイクロコントローラ１０に繋がる経路）で信号ループを形成してマイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５で上アームパワーデバイス２０Ｂの異常の有無を診断することにより、上アームパワーデバイス２０Ｂの正常動作（オンオフ動作）を確実に診断することが可能となる。例えば、マイクロコントローラ１０からゲート電圧ＶＧまでの信号経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、上アームパワーデバイス２０Ｂの断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、上アームパワーデバイス２０Ｂのドレイン電圧からマイクロコントローラ１０までの検出経路における断線や短絡などの故障が発生した場合であっても、マイクロコントローラ１０のドレイン異常診断部２５にてＰＷＭ１周期の期間内で異常を確実に診断できる。出力に逆方向の電流が流れる条件下においては、同様に下アームパワーデバイス２２Ｂの正常動作を確実に診断することが可能となる。
また、この早期の異常診断により、上アームのゲート駆動信号４０および下アームのゲート駆動信号４３を早期に停止させることが可能であり、異常発生時にインバータ装置２を早期に安全停止制御させることが可能となる。
なお、第２の実施例インバータ装置２は、図２に示すように、パワーデバイスのゲート電圧ＶＧを所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部１９と、ドレイン電圧を所定の閾値電圧で検出するドレイン電圧検出部３０とを備えており、マイクロコントローラ１０でゲート駆動信号４０とゲート電圧検出信号４１とを比較診断し、ゲート駆動信号４０とドレイン電圧検出信号４２とを比較診断することで、ゲート電圧ＶＧの正常な駆動と正常な検出、およびパワーデバイスの正常な駆動と正常な検出を早期に診断することが可能である。つまり、パワーデバイスを駆動するゲート電圧、ドレイン電圧を常時監視することで、異常（の有無）を早期に検知し、インバータ装置を安全に停止制御することが可能となる。
［第３の実施例］
図３の構成図と、図６および図７のタイムチャートを参照して、本発明の第３の実施例に係るインバータ装置３について説明する。図３に示すインバータ装置３は、図２に示した第２の実施例の構成に加えて、マイクロコントローラ１０にデッドタイム制御部４４を備え、このデッドタイム制御部４４に下アームのゲート電圧検出信号３２と上アームのゲート電圧検出信号４１を接続する。また、パワーデバイスとして、ＳｉＣで記述する上アームパワーデバイス２６Ａおよび下アームパワーデバイス２８Ａを備える。
ここで、図６の左図で示すように、インバータ装置では出力電圧ＶＯの平均電圧を制御するために、目標とする出力電圧ＶＯの制御電圧６６と一定周期の搬送波６７とを比較することで基本ゲート駆動信号６８をＰＷＭ生成している。また、上アームと下アームが同時にオンしないように上アームと下アームが両方オフするデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２を制御する必要がある。一般的に、このデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２は固定時間で設定されるため、図６の左図で示すように、基本ゲート駆動信号６８からＴｄ１、Ｔｄ２の固定のデッドタイム分の時間を差し引いて、上アームのゲート駆動信号と下アームの駆動信号を生成し、それぞれのアームを駆動する。この固定のデッドタイムは、出力電流の最大値や最小値、パワーデバイスの閾値ばらつき、ゲート駆動部の能力ばらつき、ゲート駆動調整抵抗のばらつきなど、様々なばらつき要素の最悪ケースを考慮して、上アームと下アームが同時にオンしない時間に設定する必要がある。
一方で、このデッドタイム期間中は上アームと下アームのパワーデバイスが両方オフしており、出力電流は、上アームか下アームの還流ダイオード（２７Ａ、２９Ａ）を介して流れ、このデッドタイム期間中は還流ダイオード（２７Ａ、２９Ａ）の熱損失が大きくなる。
本実施例では、図６の右図に示すように、基本ゲート駆動信号６８がＨｉレベルの時に、デッドタイム制御部４４で下アームのゲート電圧検出信号３２が立下ったら上アームのゲート駆動信号４０を立上げ、同様に基本ゲート駆動信号６８がＬｏｗレベルの時に、デッドタイム制御部４４で上アームのゲート電圧検出信号４１が立下ったら下アームのゲート駆動信号４３を立上げる。また、上アームと下アームのゲート駆動信号４０とゲート駆動信号４３の立下りは、それぞれ基本ゲート駆動信号６８の立下りと立上りに同期させる。これにより、上アームと下アームが共にオフするデッドタイムＴｄ１Ａ、Ｔｄ１Ｂ、Ｔｄ１Ｃ、Ｔｄ２Ａ、Ｔｄ２Ｂ、Ｔｄ２Ｃを（固定ではなく）アクティブに可変制御する。
このように、本実施例では、逆アームのゲート電圧検出信号の立下りにより、当該アームのゲート駆動信号を立上げる制御、換言すれば、対抗パワーデバイスのゲート電圧検出信号から当該パワーデバイスのゲート駆動信号を生成する制御、さらに言い換えれば、当該アーム（パワーデバイス）のゲート電圧検出信号から逆アーム（対抗パワーデバイス）のゲート駆動信号を生成する制御により、下アームのゲート電圧が十分に低下して下アームがオフしていることを検知し、上アームをオンさせることで、上アームと下アームの同時オンを防止しつつ、出力電流条件やパワーデバイスの閾値ばらつき、ゲート駆動部の能力ばらつき、ゲート駆動調整抵抗などの様々なばらつき条件下において、アクティブにデッドタイムが可変となり、デッドタイムを短縮することが可能となる。このデッドタイムの短縮により、デッドタイム期間中に還流ダイオードで発生する熱損失を低減することができる。
さらに、逆アームのゲート電圧がハイレベルに固着故障した場合も、逆アームのゲート電圧検出信号が立ち下らないことで、当該アームのゲート駆動信号がＨｉにならず、逆アームの故障による上下アームの同時オンも回避することができる。
このデッドタイムの短縮により、還流ダイオードの熱損失の低減の効果を発揮するのは、ＳｉＣなどの順方向と逆方向のどちらでも電流を流すことが可能なパワーデバイスである。パワーデバイスがＳｉＣの場合に、還流ダイオードにＳｉＣのボディダイオードを使用すると、ボディダイオードの順方向電圧が大きく、ダイオードの損失も大きいため、効果が大きい。
ここで、図７により詳細なタイムチャートを示すが、これは上アームに順方向の電流が流れている時のタイムチャートである。図７の右図のように、上アームのゲート電圧をゲート電圧検出部１９の比較電圧Ｖｇｒｅｆで検出することで、上アームパワーデバイス２６Ａのオフを検出し、下アームのゲート駆動信号４３を立上げ、同様に下アームのゲート電圧を比較電圧Ｖｇｒｅｆで検出することで、下アームパワーデバイス２８Ａのオフを検出し、上アームのゲート駆動信号４０を立上げることで、デッドタイム期間の還流ダイオードに電流が流れる期間が短縮できている。
この制御によるデッドタイムの短縮は、ゲート電圧検出部１９からマイクロコントローラ１０までの信号伝達の時間を短くすることでより短縮することができる。一般的にディスクリート半導体を１つの半導体に集積することで、デバイスサイズの低減による寄生容量などの低減で信号伝達を高速化することが可能であり、本実施例では、ゲート電圧検出部１９、およびアイソレータ送信部１３Ｂ、アイソレータ素子１５Ｂ、アイソレータ受信部１４Ｂからなるアイソレータ通信部をゲート駆動ＩＣに集積（内蔵）することで、ゲート電圧の状態を高速でマイクロコントローラ１０に伝達し、デッドタイムの短縮効果を大きくすることが可能である。
［第４の実施例］
図４の構成図と、図８の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第４の実施例に係るインバータ装置４について説明する。図４に示すインバータ装置４は、図３に示した第３の実施例の構成に加えて、マイクロコントローラ１０の過電流診断部５３、過温度診断部６９を備え、過電流診断部５３、過温度診断部６９、ドレイン異常診断部２５、およびゲート異常診断部１２の診断結果から当該アームの異常診断の内容を判定する異常判定部５２を備える。マイクロコントローラ１０の異常判定部５２では、図８に示す故障診断時のインバータ装置の制御フロー図に従い、当該アームの異常内容に応じてインバータ装置を停止制御する。
ここで、一般的に車載用インバータ装置では、故障診断時の出力（パワーデバイス）の停止制御として、３相のすべての上下アームの６アームを全てオフ制御して、３相の還流電流を還流ダイオードで高電圧バッテリに回生するフリーホイール制御と、３相の上アームの３アームを全てオンさせ、逆に３相の下アームの３アームを全てオフさせることで、上アームで回生する上アームアクティブショート制御と、さらに反対に３相の下アームの３アームを全てオンさせ、逆に３相の上アームの３アームを全てオフさせることで、下アームで回生する下アームアクティブショート制御とがある。上下のアクティブショート制御は、各３相の出力電圧を高電圧バッテリのプラス側端子ＶＰかマイナス側端子ＶＮにショートすることで、モータからの回生エネルギーを吸収し、モータに停止方向の強いトルクを発生させ、早期にモータを停止させることが可能である。一方でフリーホイール制御では、モータからの回生電流を上アームもしくは下アームの還流ダイオードで回生するのみであり、出力電圧が固定されないため、モータを停止させるトルクは弱く、モータを停止させるのに時間がかかる。故障発生時は、３相アクティブショートにより、モータを早期に停止させることが、車両としてはより安全であるが、故障内容の判定を誤り、アクティブショートを実施した場合、予期せぬ２次的な故障などが発生する場合がある。そのため、故障の内容を正しく判定し、フリーホイール制御か、上下のアクティブショート制御による停止かを選択する必要がある。
図８の故障診断時の制御フローは、停止制御が事前に決められているインバータ装置の、故障診断時の制御フローである。異常判定部５２では、ゲート異常診断部１２、ドレイン異常診断部２５、過電流診断部５３、過温度診断部６９の結果から、何らかの異常診断が発生した場合は、故障発生判断（Ｓ７０）でＹｅｓのフローとなり、停止制御を選択する。
停止制御判断（Ｓ７１）で、事前に設定されている停止制御がフリーホイールかを判断し、Ｙｅｓであれば、フリーホイール停止制御する（Ｓ７７）。Ｎｏであれば、停止制御判断（Ｓ７２）で停止制御が上アームアクティブショートか下アームアクティブショートかのフローとなり、故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）で上下アームが故障している場合は、フリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。また、故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）でアクティブショートする対象アームが故障していれば、同様にフリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）で対象アームが故障していない場合でも、アクティブショートする対象アームの逆アームがゲートオン固着している場合は、ゲートオン固着判断（Ｓ７４、Ｓ７６）でＹｅｓ判定され、フリーホイール停止制御となる（Ｓ７７）。ゲートオン固着の故障が発生している場合は、逆アームをオンさせると同時にオンが発生して大電流による２次的な故障が発生する可能性があるため、上下アーム共にフリーホイール制御でオフ制御する。故障アーム判断（Ｓ７３、Ｓ７５）でアクティブショートする対象アームが故障しておらず、且つゲートオン固着判断（Ｓ７４、Ｓ７６）でアクティブショートする対象アームの逆アームがゲートオン固着していない場合に、それぞれ上アームアクティブショート（Ｓ７８）、下アームアクティブショート（Ｓ７９）が選択され、停止制御が実施される。
すなわち、本実施例の異常判定部５２は、第１、第２の実施例で説明したゲート電圧検出信号４１からゲート異常診断部１２にて検知した当該アームの異常、ドレイン電圧検出信号４２からドレイン異常診断部２５にて検知した当該アームの異常などに応じて他アーム（３相の上下アームの６アームのうち、当該アーム以外のアーム）の停止制御を変更するものである。
このように、本実施例では、異常発生時に各アームの異常判定だけでなく、ゲート電圧のオン固着などの異常をアーム毎に診断することで、２次的な故障を防ぎつつ、インバータ装置４の安全な停止制御を実施できる。
ここで図４に示すインバータ装置４では、上アームパワーデバイス２６Ｂの過温度を検知するためのサーミスタ６１を備え、基準電圧ＶＲＥＦに接続された抵抗６２とサーミスタ６１の分圧電圧を過温度診断部６９で診断している。この過温度の検出方法は一例を示したものであって、感熱ダイオード６４（図５参照）を使用した過温度検出であってもよい。
また、ドレイン異常診断部２５にドレイン電圧検出信号４２を伝送するドレイン電圧検出部について、整流ダイオード３１に接続される抵抗４７、４８と抵抗４９をＶＣＣ電位とＶＯ間に直列に接続し、ソース電圧に対するドレイン電圧の変化をコンパレータ４５で検知電圧Ｖｄで検知することで、ドレイン電圧の異常を検知する。ただし、このドレイン電圧の検知方法は一例であって、他の検知回路による検知方法であってもよい。さらに、過電流診断部５３での過電流診断のために、ドレイン電圧の検知のための整流ダイオード３１と抵抗４７、４８、４９の構成を流用し、上アームパワーデバイス２６Ｂがオンしている時にドレイン電圧が十分に低下しないことで上アームパワーデバイス２６Ｂに過電流が発生していることを抵抗５０を介してコンパレータ５１の検知電圧Ｖｏｃで検知する。ここで、整流ダイオード３１や抵抗４７、４８、４９、容量４６をドレイン電圧検出部と共有している例を示しているが、共有しないで専用の構成としてもよい。
また、ゲート異常診断部１２にゲート電圧検出信号４１を伝送するゲート電圧検出部は、コンパレータ６０で検知電圧Ｖｇｒｅｆで検知する構成としており、この検知電圧Ｖｇｒｅｆは、上アームパワーデバイス２６Ｂの閾値電圧よりも低い電圧であり、コンパレータ６０は、ゲート電圧ＶＧが検知電圧Ｖｇｒｅｆよりも低い電圧であるＬｏｗを出力し、上アームパワーデバイス２６Ｂがオフしていることを検知できる。
さらに、インバータ素子５７を介して接続され、ゲート電圧を駆動するＰＭＯＳ５８、ＮＭＯＳ５９のソース電位はＶＣＣとＶＥＥに接続されており、ＶＣＣはゲート電圧をオンさせるのに十分高い電圧で、ＶＥＥはゲート電圧をオフさせるために上アームパワーデバイス２６Ｂのソース電位のＶＯ電位か、またはＶＯ電位より低い負電位が供給される。ゲート駆動調整用ゲート抵抗１８Ｂは、上アームパワーデバイス２６Ｂのオン時の出力スルーレート制御、または出力サージ電圧制御のために値が調整される。ゲート駆動調整用ゲート抵抗１８Ｃは、同様に上アームパワーデバイス２６Ｂをオフする時の出力スルーレート制御、または出力サージ電圧制御のために値が調整される。
これら、ゲート駆動部、ゲート電圧検出部、過電流検出部、ドレイン電圧検出部、過温度検出部の詳細回路例を示したが、一例であり、請求項を制限するものではない。
［第５の実施例］
図４の構成図と、図９の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第５の実施例に係るインバータ装置５について説明する。図９の故障診断時の制御フローは、故障発生時の停止制御が事前に決定しておらず、故障の内容に応じで最短でモータを停止できる停止制御フローである。
まず、異常判定部５２では、故障発生判断（Ｓ７０）で故障が診断されると、故障が上下アームのどちらでもゲートオン固着していないかをゲートオン固着判断（Ｓ８０）で判定する。上下アームのどちらかでゲートオン固着の故障が発生している場合は、逆アームをオンさせると同時にオンが発生して大電流による２次的な故障が発生する可能性があるため、上下アーム共にフリーホイール制御でオフ制御する（Ｓ７７）。ゲートオン固着判断（Ｓ８０）でゲートオン固着の故障が発生していない場合は、故障アーム判断（Ｓ８１）で故障アームに応じて停止制御を行う。故障アーム判断（Ｓ８１）で上下両アームで故障が発生している場合は、フリーホイール停止制御（Ｓ７７）で停止制御する。故障アーム判断（Ｓ８１）で下アームの故障の場合は、上アームアクティブショート停止制御（Ｓ７８）で停止制御する。同様に故障アーム判断（Ｓ８１）で上アームの故障の場合は、下アームアクティブショート停止制御（Ｓ７９）で停止制御する。
すなわち、本実施例の異常判定部５２は、第４の実施例と同様、第１、第２の実施例で説明したゲート電圧検出信号４１からゲート異常診断部１２にて検知した当該アームの異常、ドレイン電圧検出信号４２からドレイン異常診断部２５にて検知した当該アームの異常などに応じて他アーム（３相の上下アームの６アームのうち、当該アーム以外のアーム）の停止制御を変更するものである。
このように、本実施例では、ゲート電圧のオン固着などの異常をアーム毎に診断することで、２次的な故障を防ぎつつ、インバータ装置５の安全な停止制御を実施できる。
ここで、図８、図９の制御フローでは、アクティブショートとして３相アクティブショートのみを例として記載したが、異常診断の内容を判断し、３相のうち、２相のみや１相のみをショートさせることも可能である。
［第６の実施例］
図５の構成図と、図８、図９の故障診断時のインバータ装置の制御フロー図を参照して、本発明の第６の実施例に係るインバータ装置６について説明する。図５に示すインバータ装置６は、図４に示した第４（または第５）の実施例の構成から、上アームパワーデバイス２０Ｃおよび下アームパワーデバイス２２Ｃに変更し、ＩＧＢＴの回路構成を示している。ＩＧＢＴをパワーデバイスとする場合は、過電流検出の方法として、過電流検知用エミッタ端子にシャント抵抗６３を接続することで、シャント抵抗６３に流れる電流とシャント抵抗６３で発生する電圧を抵抗５０を介してコンパレータ５１の検知電圧Ｖｏｃで検知することで、上アームパワーデバイス２０Ｃに流れる過電流を検知する。
また、上アームパワーデバイス２０Ｃの過温度を検知する方法として、上アームパワーデバイス２０Ｃに内蔵される感熱ダイオード６４の順方向電圧の低下を温度検出部６５で検出し、過温度を検出する。
このように、過電流検出と過温度検出の方法は、パワーデバイスの種類に応じて様々であるが、本実施例で示した、図８、図９の診断フローは同様に適用することが可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１…インバータ装置（第１の実施例）
２…インバータ装置（第２の実施例）
３…インバータ装置（第３の実施例）
４…インバータ装置（第４の実施例）
５…インバータ装置（第５の実施例）
６…インバータ装置（第６の実施例）
１０…マイクロコントローラ（マイコン）
１１…ゲート駆動信号生成部
１２…ゲート異常診断部
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ…アイソレータ送信部
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ…アイソレータ受信部
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ…アイソレータ素子
１６…高電圧バッテリ
１７…ゲート駆動部
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ…ゲート駆動調整用ゲート抵抗
１９…ゲート電圧検出部
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…上アームパワーデバイス
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…上アーム還流ダイオード
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…下アームパワーデバイス
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…下アーム還流ダイオード
２４…絶縁部
２５…ドレイン異常診断部
２６Ａ、２６Ｂ…上アームパワーデバイス
２７Ａ、２７Ｂ…上アーム還流ダイオード
２８Ａ、２８Ｂ…下アームパワーデバイス
２９Ａ、２９Ｂ…下アーム還流ダイオード
３０…ドレイン電圧検出部
３１…整流ダイオード
３２…下アームゲート電圧検出信号
４０…上アームゲート駆動信号
４１…ゲート電圧検出信号
４２…ドレイン電圧検出信号
４３…下アームゲート駆動信号
４４…デッドタイム制御部
４５…コンパレータ
４６…容量
４７、４８、４９、５０…抵抗
５１…コンパレータ
５２…異常判定部
５３…過電流診断部
５７…インバータ素子
５８…ＰＭＯＳ
５９…ＮＭＯＳ
６０…コンパレータ
６１…サーミスタ
６２…抵抗
６３…シャント抵抗
６４…感熱ダイオード
６５…温度検出部
６６…制御電圧
６７…搬送波
６８…基本ゲート駆動信号
６９…過温度診断部
Ｓ７０…故障発生判断
Ｓ７１、Ｓ７２…停止制御判断
Ｓ７３、Ｓ７５、Ｓ８１…故障アーム判断
Ｓ７４、Ｓ７６、Ｓ８０…ゲートオン固着判断
Ｓ７７…フリーホイール停止制御
Ｓ７８…上アームアクティブショート停止制御
Ｓ７９…下アームアクティブショート停止制御

Claims (5)

  1. パワーデバイスと、該パワーデバイスを駆動するゲート駆動部と、該ゲート駆動部を制御するマイクロコントローラとを備えるインバータ装置であって、
    パワーデバイスのゲート電圧を所定の閾値電圧で検出するゲート電圧検出部を備え、前記所定の閾値電圧は、前記パワーデバイスのスレショルド電圧より低い電圧であり、前記マイクロコントローラから出力されるゲート駆動信号と前記ゲート電圧検出部出力のゲート電圧検出信号とを前記マイクロコントローラで比較することで、ゲート電圧の駆動経路と検出経路で信号ループを形成し、前記パワーデバイスのゲート電圧の異常の有無を診断することを特徴とするインバータ装置。
  2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
    前記ゲート電圧検出信号から逆アームのゲート駆動信号を生成することで、上下アームが同時にオンすることを防止し、上下アームが共にオフするデッドタイムを可変制御することで、デッドタイムを短縮してデッドタイム期間中の前記パワーデバイスの損失を低減することを特徴とするインバータ装置。
  3. 請求項２に記載のインバータ装置であって、
    前記パワーデバイスはＳｉＣであることを特徴とするインバータ装置。
  4. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
    前記ゲート電圧検出信号から当該パワーデバイスで構成されるアームの異常を検知し、検知した異常に応じて他アームの停止制御を変えることを特徴とするインバータ装置。
  5. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
    前記ゲート電圧検出部と前記ゲート電圧検出部の出力信号を前記マイクロコントローラに伝達するアイソレータ通信部とをゲート駆動ＩＣに内蔵することで、ゲート電圧の状態を高速で前記マイクロコントローラに伝達することを特徴とするインバータ装置。
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